Геохимия гипергенных процессов

1. Общая геохимия

Лекция 20
Геохимия гипергенных процессов

2.

Гипергенные
(экзогенные)
процессы
Осадочные
процессы

3.

• Экзогенные процессы - геологические процессы,
обусловленные внешними по отношению к
Земле источниками энергии (преимущественно
солнечное излучение) в сочетании с силой
тяжести.
• Экзогенные процессы протекают на поверхности
и в приповерхностной зоне земной коры в
форме механического и физико-химического её
взаимодействия с гидросферой и атмосферой.
• Факторы экзогенных геохимических процессов –
Т, влажность, Eh, живое вещество. Р – атмосфера
и глубины океанов

4. Основные типы экзогенных процессов

• собственно ГИПЕРГЕНЕЗ – преобразование пород
и руд, формирование кор выветривания, зон
окисления и т.д.;
• ПЕДОГЕНЕЗ – почвообразование на суше;
• СИНГЕНЕЗ – водное осадкообразование;
• ДИАГЕНЕЗ – преобразование осадков,
приводящее к их уплотнению;
• КАТАГЕНЕЗ – совокупность геохимических и
минералогических процессов, происходящих в
осадочных породах при повышенных
температурах с участием воды, углекислого газа
и других компонентов;

5.

• ГАЛОГЕНЕЗ – осаждение солей из водных
растворов;
• ГИДРОГЕНЕЗ – совокупность процессов,
вызываемых проникновением природных вод в
литосферу (карст и т.д.);
• МЕХАНОГЕНЕЗ – процессы механического
переноса и осаждения вещества;
• БИОГЕНЕЗ – совокупность биогеохимических
процессов;
• ТЕХНОГЕНЕЗ – совокупность геохимических
процессов, вызываемых различной
деятельностью человека;
• Криогенез – отрицательные температуры;
• Атмогенез – процессы в атмосфере.

6. ГИПЕРГЕНЕЗ

• ГИПЕРГЕНЕЗ - совокупность процессов
химического и физического преобразования
минеральных веществ в верхних частях земной
коры и на ее поверхности под действием
атмосферы, гидросферы и живых организмов.
• Весь комплекс физико-химических явлений,
происходящих на поверхности Земли,
А.Е.Ферсман назвал гипергенезом .

7. Процессы в зоне гипергенеза

В зоне гипергенеза, соответствующей
приповерхностной биокосной части литосферы,
выведенные на поверхность либо на дно
морского бассейна горные породы стремятся
прийти в равновесие с окружающей средой.
Основными источниками энергии здесь являются
солнечное тепло и в значительно меньшей
степени внутренне тепло Земли. Важнейшую
роль в гипергенных процессах играют
органическое вещество и вода.

8. Процессы в зоне гипергенеза

• Верхней границей служит земная поверхность.
Нижняя граница соответствует уровню затухания
воздействия на горные породы
фотосинтезирующей жизни, что сопровождается
резким сокращением содержания кислорода и
соответственно изменением условий среды (Eh,
pH, угнетение процессов окисления, гидролиза,
коллоидообразования).
• Обычная мощность зоны гипергенеза не
превышает десятков метров, но иногда
гипергенные процессы проявляются на глубинах
в сотни и даже первые тысячи метров.

9.

• Их проявление в глубинных зонах приурочено к
зонам трещиноватости, карстовым полостям,
поверхностям контактов пород, подземным
горным выработкам, сохраняющим связь с
земной поверхностью и служащим путями
проникновения гипергенных агентов.
• В зависимости от условий процессы гипергенеза
можно разделить на три группы:
• поверхностный (или наземный) гипергенез –
комплекс явлений и процессов, происходящих
непосредственно на поверхности суши или
связанных с проникающими в толщи пород
инфильтрационными водами;

10.

• глубинный (или подземный) гипергенез комплекс явлений и процессов, происходящих
ниже земной поверхности и связанных с
воздействием подземных вод, движущихся по
водоносным горизонтам или восходящих по
проницаемым зонам (заметим, что эти воды
также имеют поверхностное происхождение);
• подводный гипергенез (или гальмиролиз) комплекс явлений и процессов, происходящих
на дне морей и океанов при взаимодействии
морских вод с горными породами.
• Формирование продуктов поверхностного
гипергенеза связано с процессами
выветривания.

11.

Выветривание
• Выветривание – это процесс изменения и
разрушения минералов и горных пород на
земной поверхности под воздействием
физических, химических и органических
факторов.
• В зависимости от того, какие факторы
обуславливают процессы преобразования
пород, выветривание можно подразделить на
физическое (или механическое) и на химическое.
• Биогенные процессы, очень широко
проявленные в процессах выветривания,
проявляются как в механическом, так и в
химическом воздействии на минеральный
субстрат.

12.

• Механическое разрушение пород при
биогенном выветривании осуществляется,
например, корнями растений, расширяющими
трещины, или роющими организмами (черви,
муравьи, термиты, суслики, кроты и др.).
• Биохимические процессы активно воздействуют на
минеральное вещество как в процессе
жизнедеятельности (лишайники извлекают
минеральные вещества из минералов), так и
поставляя химически активные соединения в
процессе разложения (органические кислоты,
возникающие при разложении листвы и пр.).
Взаимодействие минерального и органического
вещества приводит к возникновению почвы.

13. Химическое выветривание – растворение или изменение первичных минералов обычно при реакции с водными растворами.

Физическое выветривание –
дезинтеграция породы на
более мелкие частицы
(обнажение – валуны –
обломки пород и
минералов – «песок»). Не
приводит к химическому
преобразованию.

14.

• Основные физические факторы – колебания
температуры, давление водных пленок, ветер –
приводят к растрескиванию пород,
превращению их из плотных низкопористых в
рыхлые пористые образования с большой
удельной поверхностью.
• Физическое выветривание подготавливает почву
для химического. Увеличение пористости и
удельной поверхности резко улучшает контакт
породы с водой и кислородом воздуха –
главными агентами химического выветривания.

15.

16. Физ. выветривание увеличивает S поверхности, облегчая хим. выветривание

• Развитие глинистых минералов по трещинам облегчает
физическое выветривание

17.

Различные процессы
гипергенеза , как
правило, протекают
совместно. Но
интенсивность
каждого из них не
одинакова и, зависит
прежде всего от
климата, т.е. от
количества осадков и
температуры. Также
зависит от рельефа.

18. Физическое выветривание

• Физическое выветривание подразделяется на
температурное и морозное.
• Температурное выветривание – разрушение горных
пород и минералов на поверхности Земли под
влиянием колебаний температуры. Известно, что при
нагревании и охлаждении твёрдые тела изменяют свой
объём. В результате суточных колебаний температуры
горных породах возникают напряжения двух типов.
• Напряжения первого типа (объёмно-градиентные)
связаны с неравномерным нагреванием поверхностной
и более глубоких частей массива; различие температур
в этих частях массива приводят к образованию трещин,
направленных параллельно его поверхности.
Вследствие этого происходит шелушение и отслаивание
пород, называемое десквамацией.

19.

• Второй тип напряжений в пределах объёма породы и
минерала связан с различием коэффициентов
теплового расширения-сжатия минералов. Напряжения
этого типа приводят к раскалыванию до уровня
минеральных зёрен и далее, по трещинам спайности,
до образования частиц размером до сотых долей мм.
• Быстрее разрушаются темноокрашенные минералы, а
также крупнокристаллические породы с большими
различиями коэффициентов расширения составляющих
их минералов.
• Так в процессе температурного выветривания массив
пород разрушается с образованием обломочных пород
различного размера – от щебня до алевритового
материала. Суточные колебания температуры
проявляются до глубины 1 м, что определяет
максимальную мощность возникающих таким путём
обломочных отложений.

20.

• Наиболее активно температурное выветривание
протекает в пустынях и, в несколько меньшей степени, в
нивальных областях и в высокогорных районах, не
покрытых снегом. Этому способствует сочетание двух
факторов: 1) резкие суточные колебания температуры,
достигающие 50оС и 2) обнажённость горных пород
ввиду отсутствия растительного покрова и почвенного
слоя.

21.

• Морозное выветривание – разрушение горных пород в
результате периодического замерзания попадающей в
трещины воды.
• Попадая в трещины, в холодное время суток вода
замерзает – превращается в лёд, объём которого
больше. Кристаллизующийся лёд оказывает на стенки
трещин весьма существенно давление, достигающее
1000 кг/см3 и более, что значительно выше прочности
большинства горных пород. Давление льда приводит к
расширению трещин и раскалыванию пород на
крупные обломки размером от десятков сантиметров
до метров в диаметре. Отсутствие более мелкого
материала обусловлено тем, что свободная вода не
способна проникать в микротрещины.

22.

• В результате физического выветривания образуются
особые формы ландшафта. Если выветривание
происходит в горной области, где имеются плоские,
горизонтальные поверхности, то продукты
выветривания накапливаются на них в виде глыб и
более мелкого дресвяного материала. В результате
создаются элювиальные россыпи и ландшафты
беспорядочного нагромождения глыб, получившие
название «каменных морей».
• Характерным ландшафтом зон физического
выветривания являются каменистые пустыни, или, как
их называют в Сахаре, гаммады.
• Гаммады представляют собой нагромождения глыб и
щебня, образующиеся за счёт выветривания
горизонтально лежащих платов горных пород и выноса
ветром пылеватых и песчаных продуктов их
разрушения.

23. Причины физического выветривания (дезинтеграции)

• 1. Дилатация (расширение, растяжение) разрушение горных пород, связанное с их
расширением. Это происходит, когда горные
породы сформировавшиеся в условиях высоких
давлений, попадают на поверхность.
• 2. Температурное разрушение - вызвано суточными
и сезонными колебаниями температуры.
• 3. Механическое разрушение пород растениями корневая система проникает по трещинам,
расширяя их.

24. Химическое выветривание

• Химическое выветривание представляет собой процесс
химического преобразования минералов и горных
пород под воздействием воды, кислорода, углекислого
газа, органических кислот, а также вследствие
биогеохимических процессов.
• Необходимо отметить ещё одну функцию воды, без
которой невозможно химическое преобразование
пород: вода обеспечивает «доставку» агентов
химического выветривания и вынос продуктов реакций.
• Транспортировка веществ происходит почвенногрунтовыми водами в виде истинных и коллоидных
растворов.
• Важное значение в процессах химического
выветривания имеют органические кислоты, активно
способствующие разложению минералов. Процессы
химического выветривания протекают ниже почвы.

25.

• Необходимыми условиями глубоко химического
выветривания являются:
• климат, при котором достигается сочетание высоких
температур и влажности (гумидный тропический);
• обилие и характер растительности (при её
разложении образуются органические кислоты,
активно разрушающие минералы);
• выровненный рельеф, обеспечивающий
неподвижность продуктов разрушения;
• продолжительность выветривания.
• относительно легкорастворимые соединения.

26.

• Роль ландшафтных условий:
• В гумидных ландшафтах развита лесная растительность,
обладающая огромной биомассой. Почвенные воды
гумидных ландшафтов обладают кислой реакцией и
активно воздействует на минералы горных пород; в
таких условиях выветривание протекает под
воздействием постоянного промывания пород кислыми
растворами.
• В аридных ландшафтах, отличающихся недостаточной
увлажнённостью, распространена травянистая
растительность. Её биомасса в десятки раз меньше
биомассы лесов. Почвенные воды имеют нейтральную
или слабощелочную реакцию, поэтому интенсивного
промывания выветривающейся толщи агрессивными
водами не происходит, и в ней постепенно сохраняются
относительно легкорастворимые соединения.

27. Химическое выветривание

• В поверхностных условиях происходят
химические реакции, которые приводят к
образованию новых минералов, устойчивых в
этих условиях.
• Химическими реагентами являются
поверхностные и подземные воды, часто
минерализованные и содержащие О2, СО2 и т.п.
• Основные типы химического разрушениярастворение, окисление, гидратация и
гидролиз.

28. Основные процессы химического выветривания

Хелаты - клешневидные комплексные соединения, образуются при
взаимодействии ионов металлов с молекулами некоторых органических
соединений.

29. Примеры реакций выветривания

30.

31.

• Растворение происходит под действием воды
минералов и горных пород. Наиболее растворимыкарбонаты, галоиды, сульфаты. Образующиеся при этом
пустоты в массиве горных пород приводят к обвалам и
разрушению.
• Установлено, что химические элементы, входящие в
состав горных пород, обладают разной способностью
растворяться и выноситься, т.е. подвижностью.
• Элементы: энергично выносятся Cl, Br, I, SO4
• легко выносятся Ca, Na, Mg, K
• подвижные SiO2 (силикатов), Mn, P, Cu, Ni, Co
• инертные Al, Fe, Ti
• практически неподвижные: SiO2 (кварц).

32.

карстовая воронка
В кислотных водах
кальцит растворяется
без остатка:
CaCO3 + H2CO3 =
Ca2+ + 2HCO3–

33.

• Окисление происходит под действием кислорода и
воды на минералы, в формулу которых входят Fe,
Cu, Mn, Al . Наиболее интенсивно окисление
наблюдается в сульфидах. Так для минерала пирита
реакция проходит:
• FeS2+mO2+nH2O → Fe2O3 .nH2O (лимонит), большое
количество которого над сульфидными
месторождениями называют “железная шляпа”.
• CuFeS2+H2O+O2+CO2 → Cu2O+Cu2(CO3)(OH)2 +Fe2O3
nH2O
халькопирит куприт-малахит-лимонит
• Гидратация - процесс вхождения в кристаллическую
решетку минералов молекулы воды.
• Типичный пример- превращение ангидрита в гипс:
• CaSO4 +2H2O → CaSO4.2H2O

34.

35.

• Гидролиз - процесс разрушения кристаллической
решетки под действием воды и ионов в силикатах и
алюмосиликатах. Например, у полевых шпатов:
каркасная структура превращается в слоистую ,
• из кристаллической решетки выносятся растворимые
соединения К, Na, Ca;
• Процесс гидролиза проходит в несколько стадий,
количество которых как и конечный продукт зависят от
климатических условий.
• Так при умеренном климате ортоклаз превращается в
каолинит, и на этом процесс завершается. Но если эта
реакция происходит при жарком и влажном климате, то
процесс гидролиза продолжается и каолинит переходит
в боксит (окислы и гидроокислы Al).

36.

• В последние десятилетия геологи большое значение
стали придавать процессам гипергенеза, происходящих
под водой, с общим названием гальмиролиз. В
результате образуются Fe-Mn-Si руды, глауконит и
глины.
• Продукты гипергенеза - минералы и горные породы. Они
могут оставаться на месте или перемещаться в условиях
расчлененного рельефа.
• Элювий - это продукты физического разрушения,
оставшиеся на месте после своего образования. Они
представляют собой обломочный материал разного
размера - от глыб (курумы) до элювиальных песков и глин.
• Делювий - это скопление рыхлых продуктов выветривания
у подножия и у нижних частей возвышенностей. Делювий
образуется в результате переноса этих продуктов
дождевыми потоками, талыми водами (плоскостного
смыва). Немаловажную роль в этом играет сила тяжести.
• Коллювий - те же продукты физического разрушения, но
смещенные к подножию склона горы (осыпи, обвалы).

37. Эрозия и транспорт

• Изменение минералов с
увеличением дистанции
переноса похоже на
продолжение обычного
химического
выветривания.
Наиболее химически
стабильные минералы
транспортируются
дальше.
• Облик частиц
изменяется абразией
при переносе ветром
или в водной среде.
Близко к источнику
частицы остроугольны,
далеко – окатаны.

38.

• Химическое выветривание
направлено к минимизации
термодинамической энергии
(как химические реакции при
высокой температуре) и
стремится к наиболее
стабильным ассоциациям и
фазам. Но:
• 1. Кинетика реакций
медленная и метастабильное
состояние обычно.
• 2. Стабильные минералы при
влажных окружающих
условиях другие, чем при
высоких Р и Т.
• 3. Растворимость в воде и
зависимость от химизма воды
(pH и др.) – главные факторы
стабильности минералов при
выветривании.

39.

• При химическом выветривании первыми
разрушаются те минералы, которые выделились
первыми из магматического расплава
(реакционные ряды Боуэна), т.е. минералы с
минимальным запасом внутренней энергии для
данных условий.
• Последовательность увеличения устойчивости к
химическому выветриванию: содалит-нефелиноливин-ортопироксен-клинопироксен-амфиболбиотит-основной плагиоклаз-мусковит-кварц.

40.

41.

42. Скорость химического выветривания

43.

• Ультраосновная неизмененная порода
(оливин+пироксены) глины и оксиды
железа, остальные элементы уйдут в
раствор.
• Кислая неизмененная порода (полевые
шпаты+кварц) глины и гидроксиды,
кварц.

44. Кора выветривания

• Кора выветривания – это континентальная
геологическая формация, образующаяся на земной
поверхности в результате выветривания горных пород.
• Продукты изменения, оставшиеся на месте своего
первичного залегания, называют остаточной корой
выветривания, а перемещенные на небольшое
расстояние, но не потерявшие связи с материнской
породой — переотложенной корой выветривания.
Некоторые геологи к коре выветривания относят
продукты размыва и переотложения почв и остаточной
коры выветривания, именуя их аккумулятивной корой
выветривания (пролювий, делювий и т. д.).

45.

• По форме залегания различают площадную кору
выветривания, перекрывающую плащом коренные
породы (мощность — десятки см — первые десятки м),
и линейную, вытянутую в одном направлении и
проникающую в глубь коренной породы по трещинам
(выклиниваются на глубине нескольких десятков м от
поверхности земли, реже достигают глубины 100-2001500 м).
• Разложение большой массы органических веществ
приводит к образованию CO2 и органических кислот,
которые, просачиваясь из почвы в кору выветривания,
производят глубокое разложение горных пород и
кислое выщелачивание растворимых продуктов
выветривания.

46.

• Из коры выветривания выносится большинство
подвижных элементов — Ca, Mg, Na, К, Si, многие
редкие металлы.
• Кора выветривания относительно обогащается
наименее подвижными элементами — Fe, Al, Ti, Zr и
др. с образованием гидроокислов Fe и Al, каолинита,
галлуазита и др. глинистых минералов.
• Гидроокислы Fe придают коре выветривания красную и
бурую окраску. В условиях спокойного тектонического
режима во влажных тропиках кора выветривания
достигает мощности десятков метров, а в зонах
разломов — сотен метров.
• В зависимости от минерального состава различают ряд
типов выщелоченной коры выветривания (каолиновая,
латеритная и т. д.).

47. Ряды миграции химических элементов в коре выветривания силикатных пород (по Б.Б. Полынову с упрощениями)

Интенсивность
миграции
Очень сильная
Сильная миграция
Химические элементы
Cl, S, B, Br, I
Ca, Na, Mg, Sr, Zn, Mo,
U, F
Средняя миграция
Si, K, Mn, Ba, Ni, Co,
Cu
Слабая и очень слабая Al, Fe, Ti, Zr, Y, Nb, Ta,
миграция
Sn, Pt

48.

49. Формирование коры выветривания

• Кора выветривания - это специфический продукт
физического и химического процессов гипергенеза . Её
формирование проходит в несколько стадий:
• 1. Обломочная - преобладает физическое разрушение
горных пород (дезинтеграция).
• 2. Сиаллитная - преобладает гидролиз с образованием
глинистых минералов (каолинит, нонтронит).
• 3. Аллитная - преобладает окисление глинистых
минералов и оксидов и гидрооксидов Fe, Al, Mn, Si.
Образуются минералы - лимонит, гематит, «боксит»,
пиролюзит, опал, халцедон. Продукты этой стадии
окрашены в красно-бурый цвет и похожи на
обожженый кирпич, поэтому их еще называют
латеритами (later-высушенный кирпич).

50.

• Развитие всех стадий зависит от климата, рельефа,
состава материнских пород и т.д. В свою очередь
минеральный состав коры выветривания зависит от
того, сколько стадий гипергенеза протекало в
массиве горных пород и каким был первичный
химический состав этих исходных (или материнских)
пород. Кора выветривания ультраосновных пород
отличается минеральным составом от коры,
образованной по породам кислого состава.
• Коры выветривания по времени своего образования
делятся на современные и древние.

51. Профиль коры выветривания

• Кора выветривания на гранитах
• 1 - горизонт щебенчатой, или
обломочной, коры выветривания,
образованный
дезинтегрированным в ходе
физического выветривания
гранитом;
• 2 - гидрослюдистый горизонт,
слабосцементированная масса,
прослеживается структура
исходного гранита, но значительная
часть щелочей и
щелочноземельных элементов из
минералов вынесена, и большая
часть полевых шпатов замещена
агрегатом гидрослюд
• 3 - коалинитовый горизонт, светлая
глинистая масса с участками
рыхлого щебнистого материала и
бурые пятна от скопления
гидрооксидов Fe. Гидрослюды
замещены коалинитом.

52.

53.

54.

55. Разрез древней коры выветривания

56.

• Схема строения палеопротерозойского профиля выветривания
Карелии. Зона злювиальной брекчии-F-участки обогащения
аутигенными карбонатами, К, % = [(Kэл.кв – Kэл.суб)/
Kэл.суб]·100, где Kэл.кв – концентрация элемента в выветренном
образце, Kэл.суб – концентрация элемента в субстрате.

57.

• Химические изменения пород в профиле
предсариолийской коры выветривания оз.Паанаярви
характеризуются одновременным увеличением
содержаний K2O, Al2O3 и CaO, при этом концентрация
Na2O уменьшается. Глинистая зона коры выветривания
не образует единого горизонта, а представлена в виде
маломощных линзовидных прослоев в зоне
элювиальной брекчии.
• В результате увеличение концентрации Al2O3 и K2O
обусловлено формированием глинистых аутигенных
минералов, а CaO – кристаллизацией доломита из
гипергенного раствора, который дренировал профиль
выветривания.

58. Полезные ископаемые - продукты гипергенеза

1. Обломочные МПИ - элювиальные россыпи Au, Pt, Sn,
алмазов. Образуются благодаря устойчивости
минералов к разрушению и накоплению их в элювии.
2. Остаточные коры выветривания (т.е. после
формирования коры выветривания новообразованные
минералы остаются на месте). С ними связаны МПИ Ni ,
Co, Cr , Fe, каолиновых глин, бокситов.
3. Инфильтрационные - образуются за счет растворения
полезных компонентов при гипергенезе из одних пород
и перенос их водными растворами и осаждение в
других породах: U, V, Fe и др.